JMC：新型酰肼类HDAC抑制剂的发现

　　导读

　　近日，中国海洋大学李晓杨教授和美国南卡罗莱纳医科大学James Chou教授合作报道了一类基于酰肼结构的新型HDAC抑制剂，可作为潜在的抗AML药物。相关成果发表在J. Med. Chem.上（DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c01472）。

　　急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia , AML） 作为成人中最常见的白血病类型，也是致死率最高的白血病类型，是一种起源于造血干细胞而高度异质的血液系统恶性肿瘤。近年来，随着对AML的发病机理和靶向治疗的大量研究，AML治疗药物相继上市，其中包括FLT3抑制剂、IDH 2 抑制剂和Bcl -2 抑制剂等，使得 AML的诊治水平得到明显提高，但AML病人 仍存在疾病复发概率高和长期生存率差等问题，导致其总体治疗效果欠佳。因此，研发基于新靶点的 AML小分子抑制剂具有重大意义，不仅能够 用于治疗 AML，还能够解决由 其它药物所引起的耐药或复发问题。

　　组蛋白去乙酰化酶（ Histone deacetylases, HDACs ）催化的组蛋白乙酰化和非组蛋白赖氨酸翻译后修饰是细胞调节的主要表观遗传机制之一，目前发现的人源HDACs共有18个亚型，可分为I-IV四个亚族。相关研究表明， HDAC 1、2 和 3 的抑制剂能够通过间接抑制 FLT3/STAT5 信号通路和下调 c-Flip 和 XIAP 等抗凋亡蛋白而诱导AML细胞的凋亡，因此， HDAC 1、2 和 3是 治疗AML的潜在靶点。然而，临床研究发现，由于在研 HDAC 抑制剂具有较差的PK性质，使得需要高剂量才能带来良好的治疗效果，间接导致严重的毒性，因此，研发靶向HDAC的高选择性抑制剂是目前的新方向。

　　近日，中国海洋大学李晓杨教授和美国南卡罗莱纳医科大学James Chou教授合作报道了一类基于酰肼结构的新型HDAC抑制剂，可作为潜在的抗 AML 药物。相关成果发表在 J. Med. Chem. 上（DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c01472）。

　　基于先前课题组的研究，作者发现 HDAC抑制剂 17 和 18 具有良好的I型HDAC选择性与优异的抑制活性和良好的生物利用度（ F% = 19.8% ），但化合物中的肉桂酰胺结构可作为Michael受体与蛋白表面的半胱氨酸反应，从而引起不必要的细胞响应。因此，为了使Michael受体“失活”，作者将双键部分与苯环环化得到一系列苯并五元环或苯并六元环骨架（ Figure 1a ）。为了进一步验证设计猜想，作者利用2 - 巯基乙醇进行了Michael反应排除试验，结果显示，化合物 17 能够与2 - 巯基乙醇发生Michael加成反应，化合物 11a-11d 和 11h-11l 则不能与2 - 巯基乙醇反应，表明设计的苯并五元环或苯并六元环骨架并不是Michael受体（ Figure 2 ），并且这些化合物与 HDAC1 和HDAC 3 的结合模式与化合物 17 相似，说明结构修饰可能不会影响这些化合物对HDAC的抑制活性（ Figure 1b ）。下载化学加APP，阅读更有效率。

　　图片来源： J. Med. Chem.

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　　基于上述设计思路，作者将双键环化以消除潜在Michael反应带来的影响（ Table 1 ）。首先，将苯乙烯结构替换成萘环得到化合物 11a ，对HDAC 1 和3具有优异的抑制活性，但HDAC 2 酶活仅为3 0.51 nM 。接着，作者引入一个氮原子得到化合物 11b-11f ，但发现除化合物 11c 外 ， 其余化合物的酶抑制活性和细胞活性均显著下降；引入两个氮原子得到化合物 11g ，相比于化合物 11a ，其活性下降了近 2 倍，但细胞抑制活性基本不变。然后，作者将苯乙烯结构替换成吲哚环、苯并呋喃环和苯并噻吩环得到化合物 11h - 11j ，令人惊喜的是，三个化合物的对HDAC 1 、2和3的抑制活性均非常优异（IC 50 = 3.01-3.79 nM），尤其是化合物 11h ，其细胞抑制活性达到了1 9.23 nM。最后，基于化合物 11h 和 11j ，作者引入一个氮原子得到化合物 11k-11l ，但其酶抑制活性和细胞活性均显著下降。

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　　基于活性优异的化合物 11h 和 11i ，作者研究了苯环上不同取代基对化合物活性的影响（ Table 2 ）。首先，作者基于化合物 11h ，在苯环上引入F、Cl和Br得到化合物 16a - 16c ，相比于化合物 11h ，其酶抑制活性和细胞抑制活性均显著下降。接着，作者引入甲氧基得到化合物 16d ，其酶抑制活性与化合物 11h 相当，但细胞活性下降了近2倍。同样的，作者基于化合物 11i ，在苯环上引入F、Cl、Br和甲氧基得到化合物 16e - 16h ，发现四个化合物酶抑制活性均下降了近2倍，而细胞抑制活性均显著下降。最后，作者脱除化合物 16h 的甲基得到化合物 11m ，其对HDAC 1 、2和3的酶抑制活性与化合物 11i 相当，但细胞活性略有下降。而用烯丙基替换甲基得到的化合物 11n ，其活性均显著下降。

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　　紧接着，作者研究了化合物 11h 、 17 和泛HDAC抑制剂 panobinostat 对HDAC 1-11 的选择性（ Table 3 ）。结果显示，除HDAC 1 、 2 和3外，化合物 11h 和 17 对HDAC 4-11 均无抑制活性（IC 50 > 5000 nM），而相比之下，泛HDAC抑制剂panobinostat 对HDAC 1-11 均有抑制活性，只是抑制活性不同。

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　　为了进一步研究化合物 11h 与HDAC酶的结合是否呈现时间依赖性，作者进行了化合物 11h 的动力学研究（ Figure 3 ）。结果显示，随着孵育时间的增加，化合物 11h 对HDAC 1 和HDAC 3 的抑制活性均在增加，在2 h时抑制活性分别为1.5 nM和0.56 nM，表明化合物 11h 与HDAC 1 和HDAC 3 是缓慢结合而发挥抑制活性的（ Figure 3a & b ）。此外，作者还进行了化合物 11h 的体外最大反应速率研究。结果显示，化合物 11h 对HDAC 1 表现出复杂的抑制方式，而对HDAC 1 表现出非竞争性抑制方式（ Figure 3c & d ）。

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　　基于上述研究结果，作者进一步研究了化合物 11h 对白血病细胞系（ MV4-11 、 Molm14 、 RS4;11 ）和p 53细胞系（U937 、 HL60 ）的抑制活性（ Figure 4 ）。结果显示，在5种细胞中，化合物 11h 的细胞抑制活性（IC 50 = 19.79-60.51 nM）显著高于 化合物 17 ，与化合物 18 的活性相当。而当化合物 11h 和 17 在高浓度下（ > 1 μM ）， MV4-11 、 Molm14 和 RS4;11 细胞均死亡，约3 0% 的 U937 和 HL60 细胞仍存活。此外，作者 基于化合物 11h 优异的 HDAC抑制活性 和细胞活性，作者对其进行了初步的小鼠PK性质研究（ Table 4 ）。

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　　从表中能看出，化合物 11h 表现出优异的静脉注射PK性质，具有低清除率和良好的分布容积。而对于口服给药，其最大浓度（C max ）为3 8800 ng/mL，半 衰期（T 1/2 ）为2.58 h，口服生物利用度（F）为112%，显著优于化合物 18 和 panobinostat 。

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　　基于化合物 11h 优异的PK性质，作者对其进行了体内抗AML活性研究（ Figure 6 ）。在AML细胞系 MV4-11 小鼠移植肿瘤模型中，当口服剂量为 4 mg/kg时，化合物 11h 能够有效抑制肿瘤生长，显著优于同剂量的阳性对照 panobinostat ， 但给药剂量为 2 mg/kg时，对肿瘤生长没有表现出明显的影响，但剂量变化并未出现毒性。接着，作者以肿瘤组织的AcHH3 和 AcHH4 为标志物进行了药效学研究（ Figure 6 ）。结果显示，给药化合物 11h 后，随着时间的推移， AcHH3 和 AcHH4 显著积累， AcHH3 的含量提高了 951-2090 倍， AcHH4 则提高了 4.2-8.2 倍，相比之下， panobinostat 对 AcHH3 和 AcHH4 的影响显著小于化合物 11h 。此外，在给药化合物 11h 后，血浆和肿瘤组织的浓度显著高于 panobinostat ，但其在肝脏的浓度极高，表明其可能是肝脏代谢为主，而其在诸多器官均有分布，说明其可作为潜在药物治疗多种癌症。

　　图片来源： J. Med. Chem.

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　　化合物 11h 的合成路线如图所示。首先，苄氧基甲酰肼 1 与丙醛发生反应得到Schiff碱，再经 NaBH3CN 还原得到化合物 2 ；化合物 2 经Boc保护氨基得到 3 ；化合物 3 在 Pd/C 条件下发生酰胺水解反应得到关键中间体 4 （ Scheme 1 ）。接着，4 -( 氨基甲基 ) 苯甲酸 5 经三氟醋酸保护氨基得到化合物 6 ，而化合物 6 与中间体 4 在EDCI条件下发生缩合反应得到化合物 7 ，再经碱性条件脱除三氟甲酰基得到关键中间体 8 。最后，关键中间体 8 与吲哚甲酸经TBTU催化的酰胺缩合反应得到化合物 10h ，再经三氟醋酸保护和碱性条件脱保护得到目标化合物 11h 。

　　图片来源： J. Med. Chem.

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　　总结：李晓杨教授和James Chou教授合作报道了一类基于酰肼结构的新型HDAC抑制剂，可作为潜在的抗 AML 药物，并展现出一定的临床潜力，未来或许有望进入市场，为 AML 提供新的治疗策略。

　　参考文献：

　　[1] Döhner, H.; Weisdorf, D. J.; Bloomfield, C. D. Acute myeloid leukemia. N. Engl. J. Med. 2015, 373, 1136-1152.

　　[2] Siegel, R. L.; Miller, K. D.; Jemal, A. Cancer statistics, 2020. CA- Cancer J. Clin. 2020, 70, 7-30.

　　[3] Tiong, I. S.; Wei, A. H. New drugs creating new challenges in acute myeloid leukemia. Genes, Chromosomes Cancer 2019, 58, 903-914.

　　原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.1c01472